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船舶强度与结构设计课程设计

大连理工大学

船舶强度与结构设计课程设计

2015 年 11月

27

目录

一、 课程设计主要内容……………………………………………………………….2

二、 船舶数据资料…………………………………………………………………………2

三、 剪力和弯矩计算……………………………………………………………………3

四、 总纵强度计算………………………………………………………………………19

五、 课程设计总结………………………………………………………………………27

一、课程设计主要内容
（一）、根据相关规范要求完成船舶舯剖面结构设计
（二）、船体总纵强度的校核
1、船舶在静水中平衡位置的确定
2、船舶在波浪中平衡位置的确定
3、船舶重量分布曲线的确定
4、船舶浮力分布曲线的确定
5、船舶载荷分布曲线的确定
6、船舶剪力和弯矩分布曲线的确定
7、剖面特性计算
8、许用应力的确定
9、总纵弯曲应力校核
10、极限强度校核

二、船舶数据资料
船舶主尺度：
总长：
设计水线长：
垂线间长：
计算船长：
型宽：
型深：
设计吃水：
方型系数：
三、 剪力和弯矩计算
（一）、主要数据
船舶计算长度（垂线间长）
船宽
海水比重 （二）、参考资料
全船重量分布汇总表
静水力曲线图
邦戎曲线图
（三）、计算状态
本计算中仅选取压载出港状态进行计算。
排水量
重心纵坐标
由静水力曲线图查出下列各数值：
平均吃水
浮心纵坐标
漂心纵坐标
水线面积
纵稳心半径
（四）、波型和波浪参数选择
波长：
波高：
坦谷波垂向坐标值采用余弦级数展开式计算：

式中：—半波高。
各理论站从坦谷波面到波轴线垂向坐标值经计算列入表1.1。
表3.1 值

注：表中值由波轴线向下为正，向上为负。
（五）、满载到港状态的剪力和弯矩计算
1.船舶纵倾调整
（1)船舶在静水中平衡位置的确定
第一次近似:
首吃水：=6.516m
尾吃水：=9.322m
排水体积：V=Δ/γ=11989.34m^3
第二次近似：
首吃水：=6.691m

尾吃水：=9.541m
(V-V2)/V=-0.08% <0.1%-0.5% 满足设计要求
(Xg-Xb2)/L=0.01%<0.05%-0.1% 满足设计要求
具体过程详见下表。
表3.2船舶在静水中平衡位置的计算
理论站号
力臂系数
乘数
第一次近似

第二次近似

首吃水
尾吃水

首吃水
尾吃水

横剖面浸水面积
面积乘数（4）*（3）
力矩函数(5)*(2)
横剖面浸水面积
面积乘数（7）*（3）
力矩函数(8)*(2)
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
0
-10
0.5
14.67
7.335
-73.35
16.99
8.495
-84.95
1
-9
1
27.8
27.8
-250.2
30.59
30.59
-275.31
2
-8
1
57.4
57.4
-459.2
60.2
60.2
-481.6
3
-7
1
86.94
86.94
-608.58
90.3
90.3
-632.1
4
-6
1
114.1
114.1
-684.6
118.2
118.2
-709.2
5
-5
1
130.8
130.8
-654
134.9
134.9
-674.5
6
-4
1
147.5
147.5
-590
151.6
151.6
-606.4
7
-3
1
151.4
151.4
-454.2
155.4
155.4
-466.2
8
-2
1
155.3
155.3
-310.6
159.2
159.2
-318.4
9
-1
1
153.4
153.4
-153.4
157.3
157.3
-157.3
10
0
1
151.5
151.5
0
155.4
155.4
0
11
1
1
147.05
147.05
147.05
150.75
150.75
150.75
12
2
1
142.6
142.6
285.2
146.1
146.1
292.2
13
3
1
130.25
130.25
390.75
133.8
133.8
401.4
14
4
1
117.9
117.9
471.6
121.5
121.5
486
15
5
1
97.65
97.65
488.25
99.9
99.9
499.5
16
6
1
77.4
77.4
464.4
78.3
78.3
469.8
17
7
1
54.3
54.3
380.1
56
56
392
18
8
1
35.6
35.6
284.8
36.7
36.7
293.6
19
9
1
21.3
21.3
191.7
22
22
198
20
10
0.5
14.5
7.25
72.5
14.8
7.4
74

排水体积&力矩函数和

2014.7
-1061.78

2074.035
-1148.71

浮心纵坐标

-3.043

-3.198

排水体积

11635.32

11977.55

排水体积变化

-0.0295

-0.000982

纵坐标差

-0.000412

0.00093

（2）船舶在波浪上平衡位置的计算
用麦卡尔法计算船舶在波峰的平衡位置:
用麦卡尔法计算船舶在波峰时的平衡位置。去静水平衡线（df0=4.729m，da0=3.868m）作为波轴线，按波峰在船中，由邦戎曲线图上量出浸水面积ωi，再取ε=-1m（下移），量出各站横剖面浸水面积ωbi，根据下表计算波轴线移动参数ζ0和b
图3.1 邦戎曲线图

表3.3船舶在波峰上平衡位置的计算
理论站号
力臂系数k
乘数
静水波面浸水面积Wi
面积乘数（3）*（4）
移轴波面浸水面积Wbi
面积乘数（3）*（6）
(7)-(5)
(5)*(2)
(8)*(2)
(8)*(2)^2
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
0
0
0.5
2
1
0
0
-1
0
0
0
1
1
1
12.33
12.33
6.878
6.878
-5.452
12.33
-5.452
-5.452
2
2
1
40.3
40.3
30.98
30.98
-9.32
80.6
-18.64
-37.28
3
3
1
72.7
72.7
59.4
59.4
-13.3
218.1
-39.9
-119.7
4
4
1
107.2
107.2
90.58
90.58
-16.62
428.8
-66.48
-265.92
5
5
1
135.35
135.35
117.34
117.34
-18.01
676.75
-90.05
-450.25
6
6
1
163.5
163.5
144.1
144.1
-19.4
981
-116.4
-698.4
7
7
1
176.95
176.95
157.5
157.5
-19.45
1238.65
-136.15
-953.05
8
8
1
190.4
190.4
170.9
170.9
-19.5
1523.2
-156
-1248
9
9
1
192.15
192.15
172.9
172.9
-19.25
1729.35
-173.25
-1559.25
10
10
1
193.9
193.9
174.9
174.9
-19
1939
-190
-1900
11
11
1
185.8
185.8
166.55
166.55
-19.25
2043.8
-211.75
-2329.25
12
12
1
177.7
177.7
158.2
158.2
-19.5
2132.4
-234
-2808
13
13
1
155.25
155.25
136.2
136.2
-19.05
2018.25
-247.65
-3219.45
14
14
1
132.8
132.8
114.2
114.2
-18.6
1859.2
-260.4
-3645.6
15
15
1
101.45
101.45
85.635
85.635
-15.815
1521.75
-237.225
-3558.375
16
16
1
70.1
70.1
57.07
57.07
-13.03
1121.6
-208.48
-3335.68
17
17
1
44.18
44.18
34.5
34.5
-9.68
751.06
-164.56
-2797.52
18
18
1
25.73
25.73
19.17
19.17
-6.56
463.14
-118.08
-2125.44
19
19
1
14.18
14.18
10.03
10.03
-4.15
269.42
-78.85
-1498.15
20
20
0.5
9.63
4.815
6.432
3.216
-1.599
96.3
-31.98
-639.6
∑

2197.785

-287.536
21104.7
-2785.297
-33194.367
根据数据按下式计算波轴线移动参数，：

联立方程得: ζ0=-0.0072 b=0.0078
首吃水df=df0+ζ0+b=10.37m
尾吃水da=da0+ζ0=6.672m
求出平衡位置后，即可以从邦戎曲线上得到船舶处于平衡位置时的横剖面浸水面积。
用表3.4算出横剖面浸水面积。

表3.4横剖面浸水面积
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
理论站号
乘数k
wA
geta0
geta'
geta
Wb-Wa
(Wb-Wa)/l
delta(w)
wc
wc*k

m2
m
m
m
m2
m
m2
m2
m2
0
0
2.00
-0.0072
0.0000
-0.0072
-1.00
-1.00
0.01
1.00
0.00
1
1
12.33
-0.0072
0.0444
0.0372
-5.45
-5.45
-0.20
12.13
12.13
2
2
40.30
-0.0072
0.0889
0.0817
-9.32
-9.32
-0.76
39.54
79.08
3
3
72.70
-0.0072
0.1333
0.1261
-13.30
-13.30
-1.68
71.02
213.07
4
4
107.20
-0.0072
0.1778
0.1705
-16.62
-16.62
-2.83
104.37
417.46
5
5
135.35
-0.0072
0.2222
0.2150
-18.01
-18.01
-3.87
131.48
657.39
6
6
163.50
-0.0072
0.2667
0.2594
-19.40
-19.40
-5.03
158.47
950.80
7
7
176.95
-0.0072
0.3111
0.3039
-19.45
-19.45
-5.91
171.04
1197.28
8
8
190.40
-0.0072
0.3556
0.3483
-19.50
-19.50
-6.79
183.61
1468.86
9
9
192.15
-0.0072
0.4000
0.3928
-19.25
-19.25
-7.56
184.59
1661.30
10
10
193.90
-0.0072
0.4445
0.4372
-19.00
-19.00
-8.31
185.59
1855.93
11
11
185.80
-0.0072
0.4889
0.4817
-19.25
-19.25
-9.27
176.53
1941.81
12
12
177.70
-0.0072
0.5333
0.5261
-19.50
-19.50
-10.26
167.44
2009.29
13
13
155.25
-0.0072
0.5778
0.5705
-19.05
-19.05
-10.87
144.38
1876.95
14
14
132.80
-0.0072
0.6222
0.6150
-18.60
-18.60
-11.44
121.36
1699.06
15
15
101.45
-0.0072
0.6667
0.6594
-15.82
-15.82
-10.43
91.02
1365.32
16
16
70.10
-0.0072
0.7111
0.7039
-13.03
-13.03
-9.17
60.93
974.86
17
17
44.18
-0.0072
0.7556
0.7483
-9.68
-9.68
-7.24
36.94
627.92
18
18
25.73
-0.0072
0.8000
0.7928
-6.56
-6.56
-5.20
20.53
369.53
19
19
14.18
-0.0072
0.8445
0.8372
-4.15
-4.15
-3.47
10.71
203.41
20
20
9.63
-0.0072
0.8889
0.8817
-1.60
-1.60
-1.41
4.11
82.20
∑

2076.77
19663.

排水量

12293.2

浮心距尾垂线

54.680

实际排水量

12289.0

实际重心

54.659

最后将船舶平衡位置汇总如下表3.5所示:
表3.5船舶平衡位置的计算结果
理论站号
力臂系数
静水
波峰
d=6.7463
d=9.5169
d=5,2285
d=9.0870
横剖面浸水面积ω
力矩函数M=(2)*(3)m²
横剖面浸水面积ω
力矩函数M=(2)*(5)m²
1)
2)
3)
4)
5)
6)

16.5
-165
0
0

30.5
-274.5
5.5
-49.5

60
-480
29.5
-236

90
-630
61
-427

118
-708
98.5
-591

134.75
-673.75
131
-655

151.5
-606
163.5
-654

155.5
-466.5
177
-531

159.5
-319
190.5
-381

157.5
-157.5
192.25
-192.25

155.5
0
194
0

151
151
185
185

146.5
293
176
352

134.25
402.75
150.75
452.25

122
488
125.5
502

100.5
502.5
90.5
452.5

79
474
55.5
333

56.5
395.5
29
203

37
296
13
104

22.5
202.5
5
45

15
150
2.5
25

2093.5
-1125
2075.5
-1063
修正值
15.75
-7.5
1.25
12.5
修正和
2077.75
-1117.5
2074.25
-1075.5
V=
11999.00625
11978.79375
x=ΔL∑M/∑ω
-3.106034172
-2.994341328
(V-V)/V
-0.08%
0.09%
(x-x)/L
0.01%
-0.08%

2.重量的分布计算
(1)重量曲线
如前所述，船舶在静水和波浪中的浮力已通过邦戎曲线求得。下面考虑船舶的重量分布，包括空船重量的分布和载重量的分布。
空船重量的分布采用梯形法。参阅教材第6页至第7页，若船中间肥，两头尖瘦，且中部有平行中体，船体和舾装重量可近似用梯形曲线表示，如图3.2所示。

图3.2 梯形法
梯形法参数之间具有下列关系：

式中 ——船体重心距中的距离（中后为正），;
——船长，
该船长宽比L/B≈6，属于瘦型船舶，取b=1.195，于是有
a=0.61+54xg/7L=1.152
c=0.61-54xg/7L=0.685
满载到港空船重量W=2561.67t，则
aW/L=25.5502, bW/L=26.5039, cW/L=15.1926
进而获得船舶空船重量曲线分布，如下:

图3.3 空船重量曲线分布
再分配载重量。货物重量根据货物重心在船舶总方向不变的原则，利用重量平衡和重量矩平衡原理求出每个站区对应的货物重量，其中每个站区所包含的站中分得的货物重量是均匀分布的。
由船舶布置图（示意图）和满载到港载况下重量分布表可知，本次计算规定0站在0肋位，20站在163肋位，设ΔL是货物所跨站间距离的一半，P是货物或者油水等重量，a是重物重心距所跨站距中心的距离（偏向船首为正，反之为负）。

图3.4船舶布置示意图
将各部分重量P分解而得的P1和P2解出后按其所跨站的数量进行均布分配。
故船体与舾装重量分布如下表3.6：
表3.6船体与舾装重量分布

站号
站距中重量,t
0

1
148.013
2
148.832
3
149.650
4
150.468
5
151.287
6
152.105
7
152.787
8
153.060
9
153.060
10
153.060
11
153.060
12
153.060
13
153.060
14
145.840
15
127.789
16
106.129
17
84.469
18
62.809
19
41.148
20
19.488
∑

货物、油舱、人员、行李采用局部重量分配的方法。分配时，保证重量和重心分配前后不变，分布区域大致相同，则对计算结果的影响比较小。对于已知肋位的货物和油舱等，根据肋位号找到相邻的站号，在进行分配。可以采用推导出来的通项公式进行重量分布。
重心所在一侧的站距中的重量：

重心不在的一侧站距中重量：

载重量的详细分配过程如下表：
表3.7载重量的详细分配(来自Excel)

3.船舶在静水中剪力弯矩计算
表3.8静水时剪力和弯矩计算
理论站号
横剖面浸水面积
第二栏成对和
站距中的浮力
站距中的重力
站距中的载荷
第（6）栏自上而下和
第（7）栏积分和
修正值
剪力
（8）*dl/2
修正值
弯矩
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
0
17.0
---
---
---
0
0
0
0
0
0
0
0
1
30.6
47.6
140.8
272.9
132.0
132.0
132.0
0.5
131.6
381.3
-18.7
399.96
2
60.2
90.8
268.7
865.8
597.1
729.2
861.2
1.0
728.2
2486.8
-37.4
2524.16
3
90.3
150.5
445.4
160.4
-285.1
444.1
1305.3
1.4
442.7
3769.2
-56.1
3825.26
4
118.2
208.5
617.1
172.4
-444.7
-0.6
1304.7
1.9
-2.5
3767.5
-74.8
3842.22
5
134.9
253.1
749.1
624.9
-124.2
-124.8
1179.9
2.4
-127.2
3407.1
-93.5
3500.53
6
151.6
286.5
848.0
621.8
-226.1
-350.9
829.0
2.9
-353.8
2393.7
-112.1
2505.87
7
155.4
307.0
908.6
622.5
-286.1
-637.1
191.9
3.4
-640.4
554.2
-130.8
685.02
8
159.2
314.6
931.1
1186.0
254.9
-382.2
-190.3
3.8
-386.0
-549.4
-149.5
-399.88
9
157.3
316.5
936.7
1186.0
249.3
-132.9
-323.2
4.3
-137.2
-933.3
-168.2
-765.05
10
155.4
312.7
925.5
897.8
-27.7
-160.6
-483.8
4.8
-165.4
-1397.0
-186.9
-1210.06
11
150.8
306.2
906.1
897.8
-8.3
-168.9
-652.7
5.3
-174.1
-1884.5
-205.6
-1678.94
12
146.1
296.9
878.6
863.9
-14.7
-183.6
-836.2
5.7
-189.3
-2414.6
-224.3
-2190.30
13
133.8
279.9
828.4
863.9
35.5
-148.1
-984.3
6.2
-154.3
-2842.3
-243.0
-2599.29
14
121.5
255.3
755.6
856.7
101.0
-47.1
-1031.4
6.7
-53.8
-2978.2
-261.7
-2716.51
15
99.9
221.4
655.3
690.8
35.5
-11.5
-1042.9
7.2
-18.7
-3011.5
-280.4
-2731.14
16
78.3
178.2
527.4
669.1
141.7
130.2
-912.8
7.7
122.5
-2635.6
-299.0
-2336.53
17
56.0
134.3
397.5
710.4
312.9
443.1
-469.6
8.1
435.0
-1356.0
-317.7
-1038.27
18
36.7
92.7
274.4
62.8
-211.6
231.6
-238.0
8.6
223.0
-687.3
-336.4
-350.88
19
22.0
58.7
173.7
41.1
-132.6
99.0
-139.0
9.1
89.9
-401.4
-355.1
-46.33
20
14.8
36.8
108.9
19.5
-89.4
9.6
-129.5
9.6
0.0
-373.8
-373.8
0.00

表3.9静水时剪力和弯矩计算计算结果
准确度

剪力
1.31%
弯矩
9.73%
剪力

max
728.2
min
-640.4
弯矩

max
3842.2
min
-2731.1

图3.5静水剪力图

图3.6静水弯矩图

4.船舶在波峰中剪力弯矩计算
表3.10 波峰时剪力和弯矩计算

理论站号
横剖面浸水面积
第二栏成对和
站距中的浮力
站距中的重力
站距中的载荷
第（6）栏自上而下和
第（7）栏积分和
修正值
剪力
（8）*dl/2
修正值
弯矩
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
0
1.0
---
---
---
0
0
0
0
0
0
0
0
1
12.1
13.1
38.9
272.9
234.0
234.0
234.0
0.4
233.6
675.7
3.4
672.3
2
39.5
51.7
152.9
865.8
712.9
946.9
1180.9
0.8
946.1
3409.9
6.7
3403.2
3
71.0
110.6
327.2
160.4
-166.8
780.1
1961.0
1.3
778.8
5662.4
10.1
5652.3
4
104.4
175.4
519.1
172.4
-346.7
433.4
2394.4
1.7
431.7
6913.8
13.5
6900.3
5
131.5
235.8
698.0
624.9
-73.1
360.2
2754.6
2.1
358.1
7953.9
16.8
7937.1
6
158.5
289.9
858.1
621.8
-236.3
123.9
2878.5
2.5
121.3
8311.6
20.2
8291.4
7
171.0
329.5
975.2
622.5
-352.7
-228.9
2649.6
3.0
-231.8
7650.8
23.6
7627.3
8
183.6
354.6
1049.6
1186.0
136.3
-92.5
2557.1
3.4
-95.9
7383.7
26.9
7356.8
9
184.6
368.2
1089.7
1186.0
96.2
3.7
2560.9
3.8
-0.1
7394.5
30.3
7364.2
10
185.6
370.2
1095.6
897.8
-197.8
-194.0
2366.8
4.2
-198.3
6834.3
33.7
6800.6
11
176.5
362.1
1071.8
897.8
-173.9
-368.0
1998.9
4.7
-372.6
5771.8
37.0
5734.8
12
167.4
344.0
1018.0
863.9
-154.2
-522.1
1476.8
5.1
-527.2
4264.2
40.4
4223.8
13
144.4
311.8
922.9
863.9
-59.0
-581.2
895.6
5.5
-586.7
2586.1
43.8
2542.3
14
121.4
265.7
786.5
856.7
70.1
-511.0
384.6
5.9
-517.0
1110.5
47.1
1063.4
15
91.0
212.4
628.6
690.8
62.2
-448.8
-64.2
6.4
-455.2
-185.4
50.5
-235.9
16
60.9
151.9
449.7
669.1
219.4
-229.4
-293.6
6.8
-236.2
-847.7
53.9
-901.5
17
36.9
97.9
289.6
710.4
420.8
191.4
-102.2
7.2
184.2
-295.0
57.2
-352.2
18
20.5
57.5
170.1
62.8
-107.3
84.1
-18.0
7.6
76.5
-52.0
60.6
-112.6
19
10.7
31.2
92.4
41.1
-51.3
32.8
14.8
8.1
24.8
42.8
64.0
-21.1
20
4.1
14.8
43.8
19.5
-24.4
8.5
23.3
8.5
0.0
67.3
67.3
0.0

表3.11波峰时剪力和弯矩计算结果
准确度

剪力
0.90%
弯矩
0.81%
剪力

max
946.1
min
-586.7
弯矩

max
8291.4
min
-901.5

图3.7波峰剪力图

图3.8波峰弯矩图

四、总纵强度计算
（一）、计算依据
本次计算取船中附近81号肋骨剖面进行总纵强度计算
1. 计算参考图纸和计算书
1) 基本结构图
2) 典型横剖面图
3) 弯矩和剪力计算书
2. 计算载荷
计算弯矩：M=8291.4 tfm
计算剪力：N=946.1 tf
3. 船体材料
计算剖面所有材料均采用高强度低合金钢材，屈服极限σ =2350kgf/cm²。
4. 许用应力
(1)总纵弯曲许用应力[σ]=0.5σs=1175kgf/cm²
(2)总纵弯曲与板架局部弯曲合成应力的许用应力
(a)板架跨中 [σ]=0.65σs=1527.5 kgf/cm²
(b)横舱壁处 [σ]=σs=2350kgf/cm²
(3)许用剪应力[τ]=0.35σs=822.5kgf/cm²
(二)、船体总纵弯曲正应力计算
1.总纵弯曲正应力第一次近似计算：
图4.1第73号肋骨剖面图（参与总纵弯曲的构件）

计算中取比较轴距基线3.9m处。
中和轴距离比较轴

中和轴距基线4.577m
剖面对水平中和轴的惯性矩

剖面上的应力

各构件应力见表4.1。
表4.1总纵弯曲正应力第一次近似计算表
构件编号
构件名称
构件尺寸，mm

构件剖面积,cm2
距参考轴距离Zi，m
静力矩(4)*(5),cm2*m
惯性矩（5）*（6），cm2*m2
构件自身惯性矩，cm2*m2
构件至中和轴距离Zi',m
中拱 σ1/Mpa
(1)
(2)
(3)

(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)

宽度
厚度

1
梁顶板
250
15
37.5
8.4
315
2646.0

7.723
23.23
2
梁侧板
2100
15
315
7.35
2315.25
17017.1
115.76
6.673
20.07
3
梁底板
250
15
37.5
6.3
236.25
1488.4

5.623
16.91
4
梁加强筋
160
8
12.8
7.7
98.56
758.9

7.023
21.13
5
梁加强筋
160
8
12.8
7
89.6
627.2

6.323
19.02
6
工字梁腹板
2